Hundert Jahre seit Albert Einsteins Annus mirabilis

Teil 2

Von Peter Symonds
11. August 2005

Dies ist der zweite Teil einer vierteiligen Serie über Einsteins wissenschaftliche Arbeiten.

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Newtons Synthese - stark entwickelt und zur Statik und Dynamik sowie zur Physik der Flüssigkeiten, Gase und Festkörper erweitert - blieb die nächsten 200 Jahre hindurch die Grundlage der Physik. Die mechanische Weltsicht - dass alles auf die auf Massen wirkenden Kräfte reduziert werden könne - wurde jedoch im 19. Jahrhundert zunehmend in Frage gestellt. Newtons Konzeption von Licht als Strom von Teilchen machte der Wellentheorie des Lichts Platz, die als einzige optische Phänomene wie Interferenz und Beugung erklären konnte.

Die Erforschung des scheinbar nicht verwandten Gebiets der Elektrizität und des Magnetismus ergab eine überraschende Bestätigung der Wellentheorie des Lichts. Hans Christian Oersted demonstrierte 1820, dass ein elektrischer Strom, der durch einen Draht fließt, eine magnetische Kraft erzeugt. Michael Faraday zeigte 1831, dass ein beweglicher Magnet in einem Draht einen elektrischen Strom erzeugen kann - und legte so die Basis für die Entwicklung des elektrischen Generators. Elektrizität und Magnetismus standen offensichtlich in einer Wechselbeziehung. Aber Faraday ging noch weiter und spekulierte, dass auch das Licht in Beziehung dazu stehen könnte.

In Newtons Sicht wirkten sich Kräfte wie die Gravitationskraft unmittelbar in beliebiger Entfernung aus. Faraday jedoch führte den Feldbegriff ein - ein unsichtbares Gewebe von Kraftlinien, die von einer elektrischen Ladung oder einem Magneten ausstrahlen. Der klassische Nachweis eines Magnetfeldes ist das Muster, das sich in Eisenstaub abzeichnet, der um einen Magneten herum gestreut wird. In einer Vorlesung von 1844 entwickelte Faraday die These, dass Störungen in solchen Feldern Vibrationen auslösen könnten, die sich mit der Zeit durch den Raum hindurch ausbreiten. Er legte sogar nahe, dass Licht eine solche Welle sein könnte - eine Idee, die zu seiner Zeit als Absurdität verworfen wurde.

Eine umfassende Feldtheorie des Elektromagnetismus wurde schließlich von James Clerk Maxwell in den 1860er Jahren ausgearbeitet und in einer Reihe von vier mathematischen Gleichungen zusammengefasst, die heute als Maxwellsche Gleichungen bekannt sind. Seine Theorie erklärte und quantifizierte nicht nur alle zuvor entdeckten elektrischen und magnetischen Effekte, sondern sie berechnete auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen und fand, dass diese der Lichtgeschwindigkeit entsprach. Er schrieb: "Wir können schwerlich der Schlussfolgerung ausweichen, dass Licht aus transversalen Schwingungen desselben Mediums besteht, welches die elektrischen und magnetischen Phänomene verursacht. " (Hervorhebung bei Maxwell) [7]

Maxwells Nachweis, dass Licht eine elektromagnetische Welle darstellt, war eine der krönenden Errungenschaften der Wissenschaft des 19. Jahrhunderts. Ein Wissenschaftshistoriker drückte es so aus: "All dies ist der Grund, dass Maxwell im Pantheon der großen Wissenschaftler an die Seite von Newton gestellt wird. Zusammengenommen, erklärten die Newtonschen Gesetze und seine Gravitationstheorie einerseits und Maxwells Gleichungen andererseits alle Phänomene, die der Physik am Ende der 1860er Jahre bekannt waren. Ohne Zweifel war Maxwells Werk die größte physikalische Arbeit seit den Principia [von Newton]." [8]

Parallel dazu bildete die Verwendung von Dampfmaschinen in der industriellen Revolution den Ansporn für die Entwicklung der Thermodynamik - der Untersuchung von Wärme und Bewegung - und führte zu der Entdeckung des Gesetzes der Energieerhaltung, nach dem Energie ihre Form ändern kann, die Gesamtenergie dabei jedoch konstant bleibt. Auf dem Gebiet der Chemie bildete die Atomtheorie, nach der Materie aus unteilbaren Partikeln unterschiedlichen Typs besteht, die Grundlage für die Systematisierung der rapiden Fortschritte, die zu dieser Zeit gemacht wurden. Indem sie die Newtonsche Mechanik und die mathematische Statistik kombinierten, entwickelten Maxwell und Ludwig Boltzmann die kinetische Gastheorie - eine Herleitung der allgemeinen Eigenschaften der Materie, einschließlich der Gesetze der Thermodynamik, aus der mathematischen Beschreibung des Durchschnittsverhaltens ihrer Bestandteile, der Atome und Moleküle.

Zum Ende des 19. Jahrhundert hatten riesige Fortschritte in jedem Bereich der Physik stattgefunden. Jede der größeren Theorien lieferte eine genaue Erklärung der Phänomene in dem von ihr erfassten Teilbereich: Maxwells Gesetze handelten umfassend von der Elektrizität, dem Magnetismus und den elektromagnetischen Wellen. Newtons Mechanik konnte auf Kraft und Bewegung angewendet werden und ihre Erweiterung auf die statistische Mechanik erklärte die Wärme und die Eigenschaften der Materie als Produkte der Bewegung von Atomen und Molekülen.

Eine Reaktion auf diese Erfolge war die Schlussfolgerung, dass nicht mehr viel zu tun übrig blieb. Der Experimentalphysiker Albert Michelson, der später den Nobelpreis für Physik erhalten sollte, erklärte 1894 in einer Rede zur Einweihung eines neuen Labors an der University of Chicago: "Die wichtigeren grundlegenden Gesetze und Tatsachen der physikalischen Wissenschaft sind alle entdeckt worden und sind jetzt so feststehend, dass die Wahrscheinlichkeit, dass sie jemals in der Folge neuer Entdeckungen ersetzt werden, außerordentlich gering ist... Unsere zukünftigen Entdeckungen wird man im Bereich der sechsten Stelle hinter dem Komma suchen müssen."

William Thomson, auch bekannt als Lord Kelvin, der einen größeren Beitrag zur Entwicklung der Thermodynamik gemacht hatte, nahm in einer Vorlesung am Royal Institute im Jahr 1900 eine ähnliche Haltung ein. "Es gibt im Augenblick in der Physik nichts Neues zu entdecken. Alles, was zu tun übrig bleibt, sind immer präzisere Messungen", erklärte er und fügte die berühmt gewordenen Worte hinzu, es gäbe "zwei kleine Wolken am Horizont" - die ungewöhnlichen Eigenschaften des als Strahlung schwarzer Körper bekannten Phänomens und die unerwarteten Ergebnisse eines von Michelson und seinem Mitarbeiter Edward Morley im Jahr 1887 durchgeführten Experiments.

Eine Ansammlung von Widersprüchen

Der Eindruck, dass mit dem beginnenden 20. Jahrhundert auf dem Gebiet der Physik nicht mehr viel zu tun blieb, war äußerst trügerisch. Gerade der Fortschritt der Wissenschaft warf neue theoretische Herausforderungen auf, die alles andere als gelöst waren. Thompsons "zwei kleine Wolken" bildeten den Anstoß für grundlegende neue Entwicklungen. Die erste "Wolke" führte zu Einsteins Postulat, dass sich Licht wie ein Teilchen verhält und zur Quantenmechanik. Die zweite warf ein Schlaglicht auf die Unverträglichkeit der Newtonschen Mechanik und der Maxwellschen Gesetze, die erst durch die Relativitätstheorie aufgelöst werden sollte.

Das Michelson-Morley-Experiment war ein Versuch, die Eigenschaften des Äthers zu messen. Physiker hatten aus Maxwells Erklärung des Lichts als elektromagnetischer Welle den Schluss gezogen, dass es etwas geben müsse, dass "gewellt" wird. Wasserwellen bewegen sich offensichtlich durch Wasser und Schallwellen, weniger offensichtlich, benötigten Luft oder ein anderes Medium. Dementsprechend benötigte auch Licht ein Medium - den so genannten Äther. Die Postulierung eines Äthers bedeutete freilich eine große Verkomplizierung der Anwendung der Maxwellschen Gleichungen auf bewegte Ladungen oder Magneten.

Unter der Annahme, dass der Äther selber unbewegt sei, war Hendrik Antoon Lorentz in der Lage, eine Interpretation der Maxwellschen Gleichungen anzubieten, die eine Lösung des Problems lieferte. Einstein erklärte in einer Rede zu Ehren von Lorentz: "Auf die so vereinfachte Grundlage gründete Lorentz eine vollständige Theorie aller damals bekannten elektromagnetischen Erscheinungen inklusive derjenigen der Elektrodynamik bewegter Körper. Es ist ein Werk von solcher Folgerichtigkeit, Klarheit und Schönheit, wie sie in einer auf Empirie gegründeten Wissenschaft nur selten erreicht wurde. Das einzige Phänomen, dessen Erklärung auf diesem Weg nicht restlos, d. h. nicht ohne zusätzliche Annahmen, gelang, war das berühmte Michelson-Morley-Experiment." [9]

Wenn der Äther unbewegt ist, so folgerten Physiker, dann sollte es möglich sein, die Erdbewegung durch den Äther zu messen. Vor dem Michelson-Morley-Experiment waren alle entsprechenden Versuche fehlgeschlagen. Lorentz konnte diese negativen Resultate durch den Nachweis erklären, dass die angewandten Methoden nicht genau genug waren. Jedoch gelang es Michelson und Morley, einen raffinierten optischen Apparat zu entwerfen, der den von Lorentz geforderten Genauigkeitsansprüchen genügte.

Im Wesentlichen bestand das Experiment darin, zwei Lichtstrahlen um die Wette laufen zu lassen - den einen gleichläufig mit der Bahn der Erde durch den Äther, den anderen im rechten Winkel dazu. Die beiden Wissenschaftler rechneten damit, dass sich die Geschwindigkeiten der beiden Strahlen unterscheiden würden. Um eine Analogie zu verwenden: Wenn man die Geschwindigkeit eines Zuges von einem Wagen aus misst, der sich auf einer zur Eisenbahnlinie parallelen Straße bewegt, dann wird das Ergebnis von der Geschwindigkeit des Wagens abhängen. Aus Newtons Gesetzen ergibt sich, dass die gemessene Geschwindigkeit des Zuges abnimmt, je schneller der Wagen fährt. Gleichermaßen würde die durch den Äther fliegende Erde an Geschwindigkeit zum Lichtstrahl "aufholen" und die gemessene Geschwindigkeit geringer sein als die des Lichtstrahls, der sich im rechten Winkel zur Erdbewegung fortpflanzt.

Das Ergebnis dieses Experiments verstieß gegen alle Erwartungen: Es konnte keinerlei Unterschied in der gemessenen Lichtgeschwindigkeit ermittelt werden. In einem Brief aus dem Jahr 1892 schrieb Lorentz erbittert: "Ich bin völlig außerstande, diesen Widerspruch [zwischen der Äthertheorie und dem Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments] wegzuräumen, und doch glaube ich, wenn wir die Fresnelsche Theorie [die Vorstellung vom feststehenden Äther] fallenlassen, haben wir überhaupt keine adäquate Theorie... Kann es einen Aspekt in der Theorie von Herrn Michelsons Experiment geben, der bisher übersehen wurde?" [10]

Unwillig, den Äther aufzugeben, fanden Lorentz und unabhängig von ihm George Fitzgerald, dass der einzige Weg zur Erklärung des Ergebnisses von Michelson-Morley in der Annahme bestand, dass bewegte Objekte in der Richtung ihrer Bewegung durch den Äther zusammenschrumpfen. Wenn nämlich der Beobachtungsapparat sich entlang dieser Richtung physikalisch zusammenziehen würde, dann würde dies die Unmöglichkeit erklären, die vorhergesagte Bewegung zu messen. Solche Kontraktionen wären unendlich klein und so unter alltäglichen Bedingungen nicht wahrnehmbar, doch das machte die Idee für Physiker nicht weniger bizarr, ja anstößig.

Lorentz’ Lösung erforderte noch eine weitere, seltsame Neuerung. Er fand, dass sich mit konstanter Geschwindigkeit durch den Äther bewegende Objekte unterschiedliche "Eigenzeiten" hätten. Der Mathematiker Henri Poincaré bot eine physikalische Erklärung an: Die Variation in den Zeiten könne durch die Vorstellung erklärt werden, dass jedes Objekt seine eigene Uhr besäße und dass die Uhren durch Lichtsignale miteinander synchronisiert würden. Da Licht sich mit endlicher Geschwindigkeit fortbewegt, würden die Zeiten sich unterscheiden.

Die Krise der Physik

Diese seltsamen und beunruhigenden Schlussfolgerungen waren nicht die einzigen Schwierigkeiten, mit denen Physiker im letzten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts konfrontiert waren. Experimentelle Fortschritte eröffneten neue Gesichtspunkte und ebenfalls neue Probleme. In den späten 1880er Jahren bestätigte Heinrich Hertz die Existenz von niederfrequenten elektromagnetischen Wellen - den Radiowellen. Er zeigte, dass diese Wellen sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und wie das Licht reflektiert und gebrochen werden können. Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die Röntgenstrahlen - von denen sich später herausstellte, dass es sich um sehr hochfrequente elektromagnetische Wellen handelt.

Außerdem tauchten die ersten Hinweise auf, dass Atome nicht kleine, unveränderliche, unteilbare Objekte wären. Um 1899 bestätigte J. J. Thomson die Existenz des ersten subatomaren Teilchens - des Elektrons. Ihm gelang der Nachweis, dass dieses negativ geladene Teilchen eine Masse aufweist, die nur etwa ein Zweitausendstel eines Wasserstoffatoms beträgt - des einfachsten und kleinsten Atoms.

Das Studium radioaktiver Stoffe in den 1890er Jahren durch Henri Becquerel sowie Pierre and Marie Curie brachte verblüffende Ergebnisse hervor. Man entdeckte, dass die Prozesse, von denen wir heute wissen, dass sie mit dem Zerfall von instabilen Atomkernen zusammenhängen, verschiedene Arten von Strahlung produzieren - die man später als Alpha-, Beta- und Gammastrahlung identifizierte - ebenso wie die Umwandlung eines chemischen Elements in ein anderes, was vorher für unmöglich gehalten wurde. Die Fähigkeit radioaktiver Stoffe wie Radium, Energie abzustrahlen, augenscheinlich spontan und kontinuierlich, schien dem Gesetz von der Energieerhaltung zu widersprechen.

Während einige Wissenschaftler zu dem Schluss kamen, dass in der Physik nahezu alles erreicht worden war, konstatierten andere eine größere Krise. In seinem populären Buch Der Wert der Wissenschaft, das 1905 erschien, schrieb Poincaré: "Sind wir im Begriff, in eine dritte Periode einzutreten? Stehen wir an der Schwelle einer zweiten Krise? Die Prinzipien, auf denen wir alles aufgebaut haben, werden sie dabei zugrunde gehen? Dies ist seit einiger Zeit eine angemessene Frage... Es ist nicht nur die Energieerhaltung, die in Frage steht; auch alle anderen Prinzipien sind in Gefahr, wie wir sehen werden, wenn wir sie nacheinander Revue passieren lassen." [11]

Dieser Aufruhr in der Wissenschaft - insbesondere in der Physik - hatte philosophische Auswirkungen. In seinen Bemühungen, die Wissenschaft auf eine neue Grundlage zu stellen, schüttete der Physiker Ernst Mach das sprichwörtliche Kind mit dem Bade aus. Er nahm sich vor, die Wissenschaft von allen "metaphysischen Vorstellungen" zu befreien und sie strikt auf der Grundlage beobachtbarer Eigenschaften und messbarer Größen zu begründen. Die schiere Existenz von Materie als der Quelle unserer Sinnesempfindungen wurde von ihm als unnötiger metaphysischer Aberglaube lächerlich gemacht. "Für uns Forscher ist der Begriff der ‚Seele’ unerheblich und Objekt des Spottes, doch ist Materie eine Abstraktion von exakt der gleichen Art, genauso gut und genauso schlecht wie jene. Wir wissen über die Seele gerade so viel wie über die Materie", schrieb Mach. [12]

Für Mach waren Objekte einfach "Empfindungskomplexe". Die Aufgabe der Wissenschaftler war es, beobachtbare Wirkungen zu erforschen, Variablen zu messen und sie in mathematische Beziehungen zueinander zu setzen, um wissenschaftliche Gesetze zu produzieren. Atome und Moleküle wurden als metaphysische Konstrukte abgelehnt. Trotz all seiner Respektlosigkeit bedeutete Machs Philosophie, ob bewusst oder nicht, eine Wiederbelebung der idealistischen philosophischen Konzeptionen des Bischofs George Berkeley, der im 18. Jahrhundert in seiner Polemik gegen den Atheismus in der gleichen Weise die Existenz einer äußeren materiellen Welt geleugnet hatte.

Mach stand mit seinen philosophischen Improvisationen nicht alleine, doch war er einflussreich und stand im Zentrum einer Kontroverse mit Physikern wie Planck und Boltzmann, die wie die meisten Wissenschaftler intuitiv anerkannten, dass der Gegenstand ihrer Forschungen eine äußere Welt war, die unabhängig vom Denken existiert. Machs Positionen waren für die Gärung in der Physik symptomatisch und beeinflussten eine ganze Generation von Physikern, Einstein inbegriffen. Ein Wissenschaftshistoriker kommentierte: "Für viele der jüngeren Physiker dieser Zeit schien die Behandlung der physikalischen Probleme mit den aus der klassischen Physik des 19. Jahrhunderts übernommenen Vorstellungen nirgendwo hinzuführen. Und hier machten Machs Bilderstürmerei und seine einschneidende kritische Beherztheit einen starken Eindruck auf seine Leser." [13]

Einsteins Beziehung zu Mach ist das Thema langer Untersuchungen geworden. Es soll hier genügen, darauf hinzuweisen, dass Einstein, bei aller Wertschätzung für Machs kritische Sichtweise und seine Analyse der Newtonschen Mechanik, dessen philosophischen Standpunkt niemals vollständig akzeptiert hat. Anders als Mach anerkannte Einstein die Existenz von Atomen und Molekülen. Zwei seiner Arbeiten aus dem Jahr 1905 betreffen die Anwendung der Boltzmannschen statistischen Mechanik auf die Bestimmung der Größe von Molekülen und die Erklärung ihres Verhaltens. Diese beiden Artikel sind weniger bekannt, obwohl sie eine wichtige Rolle dabei gespielt haben, der Skepsis hinsichtlich des Atoms ein Ende zu setzen. In seinen späteren Schriften wies Einstein Machs philosophischen Idealismus ausdrücklich zurück. Er begann zum Beispiel eine Vorlesung von 1931 mit der schlichten Erklärung: "Der Glaube an eine vom wahrnehmenden Subjekt unabhängige Außenwelt liegt aller Naturwissenschaft zugrunde." [13a]

Fortsetzung

Fußnoten:

7. Zitiert nach: John Gribbin (2003), Science: A History, Penguin, S. 431

8. ebd., S. 432

9. "H.A. Lorentz als Schöpfer und Persönlichkeit", in: Albert Einstein, Mein Weltbild, Ullstein Tb 34683, S. 35

10. Zitiert nach: Rigden (2005), a.a.O. (s. Fn. 5), S. 82

11. Henri Poincaré (1905), La valeur de la science, Paris, 1905, S. 180. Dt. Übers.: Der Wert der Wissenschaft, Leipzig 1906. Hier zitiert nach der englischen Ausgabe: The Value of Science, Dover, 1958, S. 96

12. Zitiert nach: John T. Blackmore, Ernst Mach: His Work, Life and Influence, University of California

13. Gerald Holton (1988), Thematic Origins of Scientific Thought, Harvard University Press, überarbeitete Neuauflage 1988, S. 241

13.a s. Mein Weltbild, a.a.O. (Fn. 9), S. 177

Siehe auch:
Hundert Jahre seit Albert Einsteins Annus mirabilis - Teil 1
(10. August 2005)
Hundert Jahre seit Albert Einsteins Annus mirabilis - Teil 3
( 12. August 2005)

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